JPH0549276A

JPH0549276A - 超音波モータの駆動回路

Info

Publication number: JPH0549276A
Application number: JP3197894A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Yoshioka; 茂樹吉岡; Yasuhiko Kitajima; 康彦北島; Satoshi Ichikawa; 聡市川; Masayuki Toda; 正之任田; Satoru Sekiguchi; 悟関口
Original assignee: Jidosha Denki Kogyo KK; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Jidosha Denki Kogyo KK; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-08-07
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、超音波モータが一定温度以上の
高温環境にさらされた場合、その破損を防止することを
目的とする。【構成】固定子１を構成する圧電体に所定周波数の電
圧を印加して弾性体に移動体駆動用の超音波振動を発生
させる電源供給手段１０と、圧電体の振動状態を検出す
る振動検出手段４，６と、振動検出手段４，６で検出さ
れた圧電体の振動振幅が所定の閾値以下である状態が起
動に要する最大時間を超えて継続したとき圧電体への電
圧供給を停止させる停止手段１６とを有することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば自動車用の各
種アクチュエータ等として使用される超音波モータの駆
動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータの駆動回路として
は、例えば特開昭６３−１３７９号公報に開示されたも
のがある。超音波モータは、弾性体と圧電体とを接着剤
で一体に貼合せた固定子と、その弾性体に加圧接触され
た移動体としての回転子等とで構成されている。圧電体
は、その厚み方向に交互に分極が行われ、この分極の行
われた圧電体は２つの電極群にまとめられている。そし
て、この２つの電極群に９０°位相のずれた２回路の高
周波電圧を印加して圧電体を励振させると、弾性体に屈
曲運動が生じ、その一端面に横波と縦波の合成された屈
曲進行波が形成され、その一端面に加圧接触した回転子
が回転駆動されるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波モー
タを自動車用の各種アクチュエータとして使用する場
合、一般的な上昇温度として考えられている１００℃程
度まで安定に動作するものが求められている。

【０００４】しかしながら、従来の超音波モータの駆動
回路にあっては、環境温度が１００℃以上になったと
き、弾性体と圧電体とを貼合せている接着剤が軟化し、
圧電体の振動が弾性体に伝わりにくくなって電気的なイ
ンピーダンスが下っても、これを検知する手段を持って
いない構成となっていたため、超音波モータに過大な電
力が供給されて熱破損するおそれがあるという問題があ
った。

【０００５】そこで、この発明は、超音波モータが一定
温度以上の高温環境にさらされた場合でも超音波モータ
の熱破損を防止することのできる超音波モータの駆動回
路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するために、弾性体と圧電体とを貼合せた固定子と、
前記弾性体に加圧接触された移動体とを有する超音波モ
ータの駆動回路であって、前記圧電体に所定周波数の電
圧を印加して前記弾性体に前記移動体駆動用の超音波振
動を発生させる電源供給手段と、前記圧電体の振動状態
を検出しこの振動状態に関する検出信号を出力する振動
検出手段と、該振動検出手段で検出された前記圧電体の
振動振幅が所定の閾値以下である状態が起動に要する最
大時間を超えて継続したとき前記電源供給手段から前記
圧電体への電圧供給を停止させる停止手段とを有するこ
とを要旨とする。

【０００７】

【作用】上記構成において、振動検出手段で検出された
圧電体の振動振幅が所定の閾値以下で、なお且つこの状
態が起動に要する最大時間を超えて継続したとき、超音
波モータが一定温度以上の高温環境にさらされて弾性体
と圧電体とを貼合せている接着剤等が軟化して圧電体の
振動が弾性体に伝わりにくくなっていると判断される。
このとき、停止手段により、電源供給手段から圧電体へ
の電圧供給が自動的に停止されて超音波モータの熱破損
が防止される。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図１ないし図７に
基づいて説明する。

【０００９】まず、図１及び図２を用いて、超音波モー
タの駆動回路の構成を説明する。

【００１０】図１において、１は弾性体と圧電体とを接
着剤で一体に貼合せた固定子であり、弾性体の他面には
図示省略の移動体としての回転子が公知のように加圧接
触されている。圧電体は、その厚み方向に分極処理され
た２群にまとめられ、その２群の各部位に、互いに９０
°位相が異なる周波数の電圧を印加するための駆動電極
２，３が取付けられている。４はモニタ電極であり、駆
動電極２，３とは電気的に絶縁されて圧電体上に取付け
られている。モニタ電極４からの圧電体振動出力により
固定子１の振動状態が検知されるようになっている。５
は、駆動電極２，３及びモニタ電極４に対する共通電極
であり、接地されている。図２は、固定子１上への上記
各電極２，３，４，５の取付け態様を示している。

【００１１】モニタ電極４には整流器６が接続されてい
る。整流器６は、モニタ電極４で検出された圧電体の振
動状態に相当する交流電圧を整流して、その振動状態に
関する検出信号を出力するようになっている。而して、
モニタ電極４と整流器６で振動検出手段が構成されてい
る。整流器６の出力は、Ａ／Ｄ変換器７でＡ／Ｄ変換さ
れてマイコン８に入力されている。マイコン８はＡ／Ｄ
変換器７の出力値に応じて超音波モータの駆動周波数を
決定し、その駆動周波数に相当する信号をＤ／Ａ変換器
９に送るようになっている。Ｄ／Ａ変換器９の出力は電
圧制御発振器１１に入力されている。電圧制御発振器１
１でＤ／Ａ変換器９の出力値に応じた発振周波数のパル
スが発生し、このパルスがリングカウンタ１２に入力さ
れている。リングカウンタ１２は、電圧制御発振器１１
からのパルスを受け、４回路の信号を順次送出してスイ
ッチング素子１３ａ〜１３ｄのＯＮ・ＯＦＦを制御する
ようになっている。トランス１４は、電源端子１５から
入力する直流電圧をスイッチング素子１３ａ〜１３ｄで
順次スイッチングすることによって駆動され、超音波モ
ータの駆動電極２，３に印加する９０°位相の異なる２
相の交流電圧をつくる。而して、スイッチング素子１３
ａ〜１３ｄとトランス１４により、超音波モータにおけ
る弾性体に超音波振動を発生させるための電源供給手段
１０が構成されててる。電源リレー１６は、超音波モー
タに電力を供給するトランス１４への電源供給をＯＮ・
ＯＦＦする機能を持ち、マイコン８からの起動停止信号
によって制御されるようになっている。この電源リレー
１６により停止手段が構成されている。スイッチ１７
は、超音波モータの起動停止を行うための電源スイッチ
である。

【００１２】次に、図３の制御フローチャート及び図４
ないし図７を用いて作用を説明する。

【００１３】電源スイッチ１７をＯＮにすると、マイコ
ン８が起動し（ステップ２１）、マイコン８は電源リレ
ー１６をＯＮ制御し（ステップ２２）、超音波モータの
駆動周波数として上限周波数の交流を出力するよう指示
する（ステップ２３、図４（ａ）、ｔ₁）。このとき、
駆動周波数は、超音波モータの共振周波数よりもかなり
上にあり、超音波モータは回転しない。次に、マイコン
８は、モニタ電極４で検出される固定子１の振動状態を
示す電圧信号を整流器６で整流し、これをＡ／Ｄ変換器
７でＡ／Ｄ変換した値を読込む（ステップ２４）。この
とき、駆動周波数は、超音波モータの共振周波数よりも
かなり高いため、圧電体は殆んど振動していない。した
がって、このときの圧電体の振動振幅は、圧電体の振動
振幅の目標値Ａ及び超音波モータが一定温度以上の高温
環境にさらされたときの異常検出の閾値Ｂよりも小さい
ため（ステップ２５，２６、図４（ｃ））、マイコン８
は内蔵のタイマをスタートさせ（ステップ２８）、駆動
周波数を０．１ｋＨｚ下げるよう指示する。マイコン８
からの指令は、Ｄ／Ａ変換器９、電圧制御発振器１１、
リングカウンタ１２及びスイッチング素子１３を経てト
ランス１４に与えられ、超音波モータの駆動電極２，３
に印加される駆動電圧の周波数が０．１ｋＨｚ下げられ
る。

【００１４】いま、超音波モータは回転していないため
モニタ電極４で検出される圧電体の振動振幅は目標値Ａ
よりも小さいので、駆動周波数を０．１ｋＨｚづつ下げ
て超音波モータの共振周波数に近付けていく（図４、ｔ
₂期間）。駆動周波数が共振周波数付近まで下ってくる
と、超音波モータは回転を始める（図４（ｂ）、
ｔ₃）。しかし、モニタ電極４で検出される圧電体の振
動振幅は依然として目標値Ａよりも小さいので、マイコ
ン８は、さらに駆動周波数を下げるよう指示する。駆動
周波数が最適周波数に近付くと、超音波モータは回転数
とトルクを除々に増加する。この過程で、振動振幅は、
異常検出の閾値Ｂを１秒以内（通常１００〜３００ｍ
ｓ）に超えるので、タイマをＯＦＦする（ステップ３
１）。

【００１５】さらに駆動周波数を下げ、駆動周波数が超
音波モータの共振周波数に完全に一致してしまうと、超
音波モータのインピーダンスが急激に小さくなって過大
電流が流れ込み、圧電体を焼損するおそれがある。そこ
で、共振点に突入する前に、モニタ電極４から検出され
る圧電体の振動振幅が共振点に近付き過ぎたと判断して
（図４、ｔ₄）、逆に駆動周波数を０．１ｋＨｚ上げる
（ステップ３３）。

【００１６】このように、モニタ電極４で検出される圧
電体の振動振幅が目標値Ａになるように駆動周波数を制
御することによって、結果的には駆動周波数を共振点と
反共振点の間の最適駆動周波数ｆ₁に追尾させることが
できる（図６）。

【００１７】次に、超音波モータが１００℃以上の高温
環境下におかれたときの電源の自動停止を述べる。

【００１８】超音波モータが１００℃以上の高温環境下
におかれると、圧電体と弾性体とを貼合せている接着剤
が軟化して圧電体の振動が弾性体に伝わりにくくなり、
電気的なインピーダンスが下ってしまう。

【００１９】図５は超音波モータのインピーダンスの周
波数特性を示しており、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ３０
℃，８０℃，１１０℃のときの特性曲線である。この特
性から超音波モータの環境温度が１１０℃になると急激
にインピーダンスが低下する。したがって、超音波モー
タに過大電流が流れ込み、熱破損するおそれがある。一
方、このとき、圧電体の振動が弾性体に伝わりにくくな
るため、モニタ電極４で検出される圧電体の振動振幅に
相当する電圧振幅は小さくなる。したがってこのモニタ
電極４からの振動振幅の低下を検出して超音波モータへ
の給電を停止すれば、超音波モータの熱破損を防止する
ことが可能となる。

【００２０】しかし、起動時においても、当然、圧電体
の振動振幅は小さいので、これと区別する必要がある。
そこで、この区別を行うためには、起動には前述したよ
うに１００〜３００ｍｓかかるので、圧電体の振動振幅
が閾値Ｂ以下である状態が、この起動に要する最大時間
を超えて継続した場合、自動的に超音波モータへの給電
を停止すればよい。

【００２１】以下、これをさらに説明する。

【００２２】いま、図４のｔ₄〜ｔ₅期間に示すよう
に、環境温度が１００℃以下で、超音波モータが正常に
回転しているとする。次に、ｔ₅において環境温度が１
１０℃になったとする。この時モニタ電極４から検出さ
れる圧電体の振動振幅は除々に低下し始め、やがて時刻
ｔ₆において異常検知の閾値Ｂまで低下する。したがっ
て、ステップ２６において振動振幅が閾値Ｂになったこ
とを検知すると、タイマがＯＦＦであることを確認し
（ステップ２７）、タイマをスタートする（ステップ２
８）。次に、ステップ２９でタイマがスタートしてから
１秒経ていないので、ステップ３２で駆動周波数を０．
１ｋＨｚ下げ、ステップ３４，２４，２５を経て再びス
テップ２６に戻る制御を実行する。繰返しこの制御を行
っているうちに図４、ｔ₇において、圧電体の振動振幅
が閾値Ｂ以下で且つタイマをスタートしてから１秒が経
過したら、ステップ２９からステップ３０へ進んでタイ
マをＯＦＦした後、電源リレー１６をＯＦＦして超音波
モータへの給電を停止する（ステップ３５）。

【００２３】タイマの設定時間１秒は、起動に要する時
間１００〜３００ｍｓ以上でなお且つ高温時に流れる過
大電流によって超音波モータが熱破損に至らない時間で
ある。しかしなるべく早く給電を遮断した方が望ましい
ので、０．５〜３秒位とするのが適当である。

【００２４】ここで、タイマの設定時間について、さら
に述べると、駆動時の最適駆動周波数は、図７に示すよ
うに、温度と周波数によって変化する。温度が低くなる
と超音波モータの共振周波数が高くなるため、駆動周波
数が高くなるが、その変化は−２０℃〜８０℃の範囲で
約１ｋＨｚとなる。一方、超音波モータの負荷に対して
は、負荷をかけていくと共振周波数が下るため、駆動周
波数が下るが、その周波数範囲は、無負荷ｄ〜全負荷ｅ
の範囲で約１ｋＨｚである。したがって、負荷と温度に
よる駆動周波数の変化幅は約２ｋＨｚとなる。

【００２５】一方、起動方法については前述の通りであ
るが、起動時の上限周波数は、無負荷時の最低温度にお
ける最適駆動周波数に設定する。この上限駆動周波数か
ら周波数を下げていくことによって駆動時の最適駆動周
波数を捜していくが、マイコン８を用いているため、一
定周期毎に一定周波数幅で掃引する。周波数掃引の分解
能は、実験によって確認した結果、３０Ｈｚ程度は最低
必要であるが、その１／２の１５Ｈｚの分解能を設定す
ると、２ｋＨｚ／１５Ｈｚ≒１３０、即ち、１３０段程
度の掃引ステップとなるので、図１中のＤ／Ａ変換器９
は２⁷＝１２８より７ビットとなる。

【００２６】一方、掃引の周期であるが、これについて
も実験の結果、２ｍｓ以上は必要である。また、自動車
用の種々のアクチュエータとして用いることを考えた場
合、一般に、作動スイッチを投入後、約５００ｍｓ以内
に作動すれば操作者は違和感を感じない。このため作動
スイッチ投入後、作動開始までの時間が５００ｍｓ以内
になるように設定している。

【００２７】いま、超音波モータを駆動する場合、掃引
の周期として３ｍｓとすると、駆動条件が、最高温度で
無負荷条件としても、３ｍｓ×１２８ステップ＝３８４
ｓｅｃしかかからない。したがって、超音波モータの危
険状態を検知するためのタイマの設定時間としては、前
述のように、０．５〜３秒位が適当となる。

【００２８】また、高温時に、圧電体の振動振幅が一度
閾値Ｂ以下に減じてもタイマ設定時間の１秒を経ていな
い間に再び閾値Ｂを超えて上昇した場合には、ステップ
３１でタイマをＯＦＦする。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、固定子を構成する圧電体に所定周波数の電圧を印加
して弾性体に移動体駆動用の超音波振動を発生させる電
源供給手段と、圧電体の振動状態を検出しこの振動状態
に関する検出信号を出力する振動検出手段と、この振動
検出手段で検出された圧電体の振動振幅が所定の閾値以
下である状態が起動に要する最大時間を超えて継続した
とき電源供給手段から圧電体への電圧供給を停止させる
停止手段とを具備させたため、超音波モータの環境温度
が一定温度以上の高温になって弾性体と圧電体とを貼合
せている接着剤等が軟化し、圧電体の振動が弾性体に伝
わりにくくなって電気的なインピーダンスが下っても、
超音波モータの熱破損を的確に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る超音波モータの駆動回路の実施
例を示す回路図である。

【図２】図１における固定子上への各電極の取付け態様
を示す図である。

【図３】実施例の作用を説明するための制御フローチャ
ートである。

【図４】実施例の動作を説明するためのもので、起動後
の時間経過に対する圧電体の振動振幅、モータ回転数及
び駆動周波数の変化を示す図である。

【図５】実施例における温度をパラメータとしたときの
駆動周波数と超音波モータのインピーダンスとの関係を
示す図である。

【図６】実施例における駆動周波数と超音波モータのイ
ンピーダンスとの関係を示す図である。

【図７】実施例における無負荷及び全負荷時における温
度と最適駆動周波数との関係を示す図である。

【符号の説明】

１固定子４モニタ電極６モニタ電極とともに振動検出手段を構成する整流器８マイコン１０電源供給手段１６電源リレー（停止手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市川聡神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者任田正之神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者関口悟神奈川県横浜市戸塚区東俣野町1760番地自動車電機工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と圧電体とを貼合せた固定子と、
前記弾性体に加圧接触された移動体とを有する超音波モ
ータの駆動回路であって、前記圧電体に所定周波数の電圧を印加して前記弾性体に
前記移動体駆動用の超音波振動を発生させる電源供給手
段と、前記圧電体の振動状態を検出しこの振動状態に関
する検出信号を出力する振動検出手段と、該振動検出手
段で検出された前記圧電体の振動振幅が所定の閾値以下
である状態が起動に要する最大時間を超えて継続したと
き前記電源供給手段から前記圧電体への電圧供給を停止
させる停止手段とを有することを特徴とする超音波モー
タの駆動回路。